驶向2050，液化天然气运输船 “碳达峰”之路

摘 要：随着航运业的“双碳”目标不断推进，国际海事组织（IMO）以及欧盟对船舶排放提出了更加严苛的要求并将甲烷逃逸纳入碳强度指标（CII）评级重点考核对象。面对未来液化天然气（ LNG）运输船在排放上可能遇到的困境，本文认为对于近期以及未来能够使船舶能效受益的技术手段作出相应的研究和规划是有必要的。

关键词：能效提升；混合动力；电池技术；甲烷逃逸

0 引 言

IMO MEPC第80次会议修正了船舶温室效应气体减排战略，这些措施极有可能在2025年春季MEPC第83次会议期间得到批准。与此同时，CII评级的全方位展开已经一年有余，欧洲正式启动“碳税”政策。因此，绿色航运已经是各大船公司的重要研究对象和未来几年发展的关键。其中，绿色船舶的发展至少由碳排放的“达峰”和“中和”两个部分组成。结合最新政策，2040年这一最重要的节点需要在2008年的基础上减少70%的温室效应气体排放总量，那在2025年这个节点前后建造的船舶就需要拥有绝佳的能效优势，为可预期的未来作好准备。而2050年这一个尚未完全确定的节点，也可以看作是各大航司需要努力完成净零排放的目标。所以，在完成船舶运输过程的净零排放之前，航运公司应当促使船厂以及船舶设计公司竭尽全力优化船型设计、研究可行的技术方案、提升推进效率，使得船舶本身的碳排放降到最低。这样，无论将来是通过技术升级改造来完成船舶运输过程中的“碳中和”，还是通过“碳交易”的手段来维持船舶运营都将花费更少的代价。本文通过剖析LNG运输船当前的处境，分析燃料使用的优先级并决定可用的短期或中期能效提升方案，以及未来具有前景的船舶技术方案。

1 LNG运输船现状

由于甲烷的高热值、低碳及富氢性，业内人士普遍对于LNG运输船以及双燃料动力船的能效以及减排压力持乐观态度。长期以来，产业链的上中下游趋向于认同LNG运输船很难受到排放政策制约并影响到船队运营。但由于IMO对于LNG船舶的甲烷逃逸、泄漏以及排放相当重视，而甲烷作为第二大温室效应气体，对于LNG运输船的CII指标已经产生了深远的影响。

从目前来看，以往使用四冲程奥托循环主机作为原动机的电力推进系统，由于较高的甲烷逃逸量， CII评级不尽如人意，而最早使用热效率较低的蒸汽轮机船型或将面临更加困难的处境。此外，现在主流的中船温特图尔（WINGD-XDF）低速低压双燃料主机船型，在燃气模式下也是奥托循环。如果不使用任何后处理技术，CII 评级的结果也不容乐观。因此，船型的不断优化以及升级换代势在必行。

2 LNG运输船的燃料选择

最近几年，我们可以看到马士基、中远海运集运等班轮公司开始加码甲醇双燃料船的投资和建造。我们可以从图1看到，甲醇除了单位体积能量值比LNG略低，需要的燃料舱略大以外，具备在常温下可贮存的先天优势。这也意味着甲醇双燃料船舶在未来技术渐渐成熟之后，在建造成本上具备优势。从表中可知，液氨即便在-34℃的情况下，单位体积具备的能量密度几乎是LNG 的一半，更何况在燃烧时会产生氮氧化物、一氧化二氮以及可能面临的氨泄漏风险。在氨燃料主机以及后处理装置尚未成熟的情况下，这种可替代燃料很难成为船舶所有人当下的选择。最后，我们看看拥有较高单位热值的LNG。虽然单位体积的能量密度仅仅略高于甲醇，但是单位质量的能量密度却是甲醇的2.5倍以上。对于可以利用自然蒸发气的液化天然气运输船，不需要设计额外燃料舱的优势使得甲烷成为LNG运输船适配度最高的燃料。同理，其他气体运输船如乙烷运输船、液化石油气运输船以及未来的液氢运输船，都具备相似的特点。

从图2中[1]我们可以看到，LNG被该文作者综合评定为适应性最好的清洁船用能源。而氢和氨虽然都是零碳能源，但在供应问题和技术成熟度方面显然还有很长的路要走。即便将来LNG运输船使用了其中的某一种燃料进行替代，也需要配备一套更为先进的、容量更大的再液化装置来减少货物的消耗并杜绝货舱无法承压而造成甲烷直接向大气排放。总而言之，其他替代燃料想要应用在LNG运输船上，需要在船舶设计上作出大量的妥协和让步。基于这些燃料的特性，目前船舶能效的提升依然应该基于使用天然气作为燃料来进行方案设计。

3 短期和中期能效提升

从目前来看，影响LNG运输船温室效应气体排放的主要因素有：（1）货舱的蒸发率； （2）主、辅机所需消耗的天然气 ；（3）船舶本身的推进效率 ；（4）甲烷逃逸。 其中，奥托循环主机在燃气模式下的甲烷逃逸必然存在，只能通过后处理设备减少逃逸量。而前面3个因素又相互交错，彼此影响。基于当前17.4万m3LNG船舶19.5 kn的设计航速，之前使用珍珠岩作为绝缘材料的货舱蒸发率为0.15%，每天的货舱产生自然蒸发气约110 t。该型船舶必须维持全速才能够基本消耗这部分自然蒸发气并维持舱压，这也意味着这类船型很难运营在经济航速。在其他工况下，包括在满载离港、抛锚以及遇大风浪需要降速的情况下都需要打开气体燃烧装置来消耗多余的蒸发气。若不加装再液化装置，扣除从主机逃逸的甲烷，剩余的自然蒸发气都将转化成CO2排放到大气中。随着技术的发展，改装再液化装置已經成为了可能。在2022年，中海油的“海洋石油301”号LNG运输船通过加装加注系统、气体燃烧装置以及再液化装置摇身一变成为了LNG加注船。Montgomery和Chudley[2]分析了150 000 m3双燃料电力推进（DFDE）船型加装再液化装置的可行性，并得出了该装置提高了船舶在经营上的灵活性并巩固了市场竞争地位，而经济方面的价值则取决于货物的市场价格。

对于现在使用玻璃棉作为绝缘材料的船型，货舱蒸发率的下降使得每天产生的自然蒸发气在80 t左右。但由于现有船型使用了低速双燃料主机直接推进从而提高了能量转换效率，船型的迭代又使得总体阻力降低了不少，因此船舶总体推进效率的提升也使得燃料的消耗同步减少，船舶在18 kn以下速度航行时依旧不能消耗完自然蒸发气。如果想要获得灵活的船舶操作和经营空间，再液化装置基本已经成为一个必不可少的设备。因此，在短期内，配备部分再液化装置也成为了减排、创收的关键设备。此外，有研究表明[3] ，配备废弃再循环的低压二冲程奥托循环主机，可以减少约30%的甲烷逃逸量并直接满足氮氧化物Tier III排放标准。因此，让新造船配备废气再循环系统是一个不错的选择。

对于中期减排方案——也就是在2030年左右，基于目前可行的技术，新造船直接配备轴带发电机可以使得船舶在日常航行过程中减少辅机的运行时间，在海况良好的条件下可能只有在进出航道、离/靠泊港口的情况下需要依赖辅机发电。Kuittinen、Heikkila和Letoranta的研究[4]同样表明，四冲程主机在25%及以下低负荷运行时的甲烷逃逸量可能高达70.2 g/kWh，且即便是运行在75%的高效区间，甲烷的逃逸量也可能高达6.4 g/kWh。所以，减少船舶发电机的运行时间以及不必要的低效率运行对于提升CII指数大有裨益。如果无法避免短时间的低负荷运行，则建议使用燃油模式。

4 未来可行的技术方案

未来，也就是2040-2050年之间，在2024年前后建造的LNG运输船将陆续退出市场。而这一阶段的新造船项目不仅需要在能效上力求“碳达峰”，也需要为2050年IMO可能实行的净零排放政策作好准备。而对于长期往返于欧洲地区的船队，则需要直面零碳問题。那么，2040年之后LNG运输船所使用的技术方案也应当从现在开始考虑。

4.1 电池技术

基于现在配备废气再循环技术的LNG运输船，由于没有了氮氧化物催化还原装置（SCR）对于空间的大量占用，释放的机舱空间给予船舶更多的空间来设计蓄电池室。现在电池的能量管理系统是比较成熟的，有了大容量电池组之后，在一段时间内可以使得部分发电机组处于待机状态。这将大幅减少发电机组使用的时间，降低维护保养的成本。此外，如果船舶同时搭配轴带发电机使用，甚至可以考虑从现在17.4万 m3LNG运输船所配备4台发电机组中减少1～2台。假设船舶配备总容量为18 MWh的电池组，按当前电池能量密度预计重量不小于120 t，应当分舱室并分电池组左右舷布置。若船舶至少配备额定功率3 690 kW和2 770 kW的发电机机组各一台，根据船舶不同工况的耗电需求和发电机组组合，可以得到不同的电池使用模式。表1和表2是不同情况的简单列举和估算，表中假设电池荷电状态（SOC）为20%～90%，发电机负荷维持在80%左右的高效区间。

从表3中我们可以看到，在船舶全速前行时，若配备2台1.8 MW功率的轴带发电机，船舶电网还有较多冗余的电力可以给电池组进行充电。而开启一台发电机时，电力冗余比较小，所以只能给部分电池组充电。当然，若需要加速充电也可以将发电机功率适当提高至85%或者额外再打开一台发电机。关于电池充电模式则需要根据船舶的实际需求进行定制化设计。

可行性评测：不配备轴带发电机的方案实际应用较为简单，具有较高的可行性。而轴带发电机若仅仅使用Power take-off（PTO）模式，在控制系统上也并不复杂，但使用电池技术需要做好电池间的通风排气并注意好消防设备的布置。

4.2 岸电技术

由于LNG运输船装卸货开启货泵以及高负荷压缩机需要消耗大量电能，一般必须保持2台发电机的高效运行才能满足用电需求。而随着政策的不断推行，港口近/零排放的时代即将到来，因此我认为通过岸电给船舶在港口进行装卸货操作是必然也必须普及的。此外，配备动力电池组的船舶在进行港口作业的时候也可以使用岸电把电池组在离港前充满，从而减少发电机对电池进行充电的时间以及燃油消耗。换言之，岸电技术的实现可以引领相关船舶技术的加速前进。岸电系统的基本结构如图3所示[5]。除此之外，还必须配备诸如自动并网装置、电缆的快速连接和计量计费系统等。

可行性评测：该技术应该会被大力推广，本身技术难度不高，主要问题在港口的基建和配套，且部分国际重要邮轮母港已经陆续使用岸电为邮轮进行供电。所以，该方案可行性很高。

4.3 混合动力推进

对于该方案，笔者长期以来一直非常推崇。混动系统应当是船舶未来几十年发展和靠拢的目标且最终成为高能效船舶的最终方案之一。该技术方案需要对2种推进方式进行分类讨论。其中，综合电力系统在电能的储备、使用以及控制上比较灵活。船舶需要考虑的是电池间的设计以及重量和空间的分布。从目前来看，超级游艇等不计成本的船舶已经基本实现这一功能，并且取得了不错的节能减排效果。荷兰著名的超艇制造商FeadShip（斐帝星）分别在2015年和2023年交付了混和动力动超级游艇。其中，最新的“Obsidian（黑曜石）”号船长84.2 m，配备了4.5 MWh的电池组，可以使用电池以10 kn速度巡航35 n mile，也可以在抛锚时提供10 h以上的供电。第二种方案是低速主机配合永磁轴带发电机，其中永磁发电机的效率相比传统的电励磁电机的转换效率要高出3%～4%，在低维护成本的情况下还能最高提供17%的燃油效率，而ABB最新的AMZ1400轴带发电机不仅占用空间小，还实现了Power Take-in（PTI）和Power Take-Home（PTH）模式，可以进一步提升船舶效率和安全冗余度。目前，HimalayaShipping旗下的12艘21万载重吨双燃料散货船订单都已确认配备该装置。

可行性评测：混动技术是基于电池技术的一个进步，是对储能装置功能上的进一步挖掘，同样也是船舶能效达峰的重要手段。目前来看，功能性的实现已经不是问题，对于电能转换和传输效率需要进一步的研究，对于船舶建造和改装的成本问题要在将来加以核算。

4.4 甲烷氧化催化装置

甲烷的氧化催化装置是通过使用氧气配合催化剂将废气中一定浓度的甲烷变成二氧化碳和水的混合物。由于甲烷的碳排放强度是二氧化碳的28倍之多，且在未来的20年时间尺度上增温效应将变成二氧化碳的80多倍，甲烷如此高的碳强度使得这项技术的研究得以开展。中国科学院上海硅酸研究所取得成果，报告[6]表示“使用ZnO-CoNi固溶体担载的NiO纳米晶催化剂，在连续反应条件下，对100 ppm和5 000 ppm甲烷的催化完全氧化效率达88%和37%”此外，Ros和Monteiro等人的研究[7]表示，将甲烷的氧化催化装置安装在碳捕捉装置之前能够使得2个装置之间产生协同效应，将大幅度提高温室效应气体的移除率。

可行性：這一集成装置还处于研发阶段，很有可能在将来成为在技术层面完成碳中和的最终手段。但实际应用需要考虑成本问题，与“碳交易”方式需要进行经济性比对。

5 结 语

“双碳目标”必然对航运业产生深远的影响。其中，“碳中和”虽然是最终目标，但“碳达峰”这一必然的过程却显得格外重要。由这样一个目标所引发的绿色技术创新不仅能够持续有效的提升船舶能效、降本增效，也为将来实现“碳中和”减轻负担、降低成本。LNG运输船作为“皇冠上的明珠”本应走在绿色航运的最前列，而其本身对于低碳燃料的利用也使之具备了更加良好的基础。笔者相信，随着文中所述技术手段的不断成熟，LNG运输船的能效指数将不断创新高。

参考文献

[1] 罗肖锋，吴顺平，雷伟等.船舶能源低碳发展趋势及路径[J].中国远洋海运，2021（3）：46-51.

[2] Montgomery K G， Chudley J. The viability of retro-fitting a re-liquefaction plant onboard a 150，000 m3 DFDE LNG carrier[J]. Journal of Marine Engineering & Technology， 2023， 22（1）： 12-21.

[3] Kuittinen N， Heikkil? M， Vesala H， et al. Methane slip from LNG engines-review and on-board study[C]//Joint 25th International Transport and Air Pollution and 3rd Shipping and Environment Conference. 2023.

[4] Kuittinen N， Heikkil? M，Lehtoranta K. Review of methane slip from LNG engines[J]. 2023.

[5] 姜玉林.浅析岸电技术的应用及管理[J].航海，2024（1）：61-63.

[6] Sun C， Zhao K， Boies A， et al. Boosting total oxidation of methane over NiO nanocrystalline decorated ZnO-CoNi solid solution via photothermal synergism[J]. Applied Catalysis B： Environmental， 2023， 339： 123124.

[7] Ros J A， Monteiro J， van den Akker J T， et al. Post-combustion Carbon Capture and Storage on LNG Fuelled Ships[C]//Conference Proceedings of INEC. 2020.

作者简介：徐哲轩，技术管理部主管，（E-mail） xu.zheuan@coscoshipping.com